СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИИ СЛУЧАЙНОГО ПРОЦЕССА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ШИРОКОПОЛОСНЫХ КАНАЛОВ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R29/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для исследования случайных процессов и сигналов сложной формы при определении параметров широкополосных каналов связи.

Известен способ измерения дисперсии случайного процесса, реализующий прямой метод оценивания дисперсии с использованием операции возведения в квадрат [1]
Однако данный способ имеет значительные погрешности измерения при отличиях характеристики преобразователя от квадратичной, а также ограниченный динамический диапазон входных значений из-за наличия квадратичного преобразователя.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения дисперсии случайного процесса, реализующий метод сравнения с независимыми между собой стационарными случайными процессами с равномерными плотностями распределения на основе знаковых оценок [1]
Однако данный способ имеет ограниченный диапазон измеряемых дисперсий из-за ограниченности динамического диапазона вспомогательных случайных процессов, а также ограниченный частотный диапазон и невозможность определения спектрального состава дисперсии.

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых дисперсий, расширение частотного диапазона измеряемых сигналов и определение спектрального состава дисперсии.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения дисперсии случайных процессов производят нормализацию исходного случайного процесса с одновременным выделением части спектра и измеряют частоту превышения над заданным уровнем, среднее значение которой связано с мощностью измеряемого процесса выражением [2]

где средняя частота превышений порога;
f₀ частота настройки нормализующей линейной системы;
U_n значение порогового уровня;
P_вх мощность случайного процесса в выделенной части спектра.

Для получения полной дисперсии измеряемого процесса суммируют все значения дисперсий выделенных частей спектра, выбираемых таким образом, чтобы обеспечить покрытие всего спектра без пересечений и обеспечить требуемую нормализацию. При этом спектральная плотность исходного процесса должна быть достаточно гладкой, в общем случае дробно-рациональной функцией без сингулярных составляющих. Полоса пропускания нормализующей линейной системы должна удовлетворять условию [3]

где ΔF_лс - полоса пропускания линейной системы,
ΔF_с- ширина спектра измеряемого процесса,
α - безразмерный коэффициент, как правило, находится в пределах 0,1-0,3. Затем суммируют полученные согласно выражению (1) значения дисперсий выделенных непересекающихся частей спектра и получают оценку дисперсии полного процесса.

На фиг.1 представлены зависимости (1), откуда видно, что на участке значений P∈ [P_min, P_max] зависимость практически линейна

где K полностью определяется значением порога U_n; за счет соответствующего выбора U_n можно в широких пределах изменять интервал линейного соответствия средней частоты и дисперсии.

На фиг. 2 представлена структурная электрическая схема одного из возможных устройств, реализующего данный способ.

Устройство, реализующее способ измерения дисперсии, содержит смеситель 1, управляемый полосовой фильтр (ПФ) 2, пороговое устройство (ПУ) 3, счетчик 4, устройство преобразования кода (УПК) 5, накапливающий сумматор (НС) 6, цифровое устройство отображения (ЦУО) 7, гетеродин 8, блок управления (БУ) 9, схему синхронизации (СС) 10 и устройство ввода 11.

Устройство работает следующим образом. Входной случайный процесс с дробно-рациональной спектральной плотностью поступает на первый вход смесителя 1, на второй вход смесителя 1 поступает гармонический сигнал с выхода гетеродина 8 с частотой f_гi, при этом в смесителе 1 происходит преобразование спектра измеряемого случайного процесса, а именно исходный спектр смещается по частоте на f_гi, смещенный по частоте сигнал с выхода смесителя 1 подается на вход управляемого полосового фильтра 2 с фиксированной частотой настройки f_опф и управляемой полосой пропускания ΔF_пф, которая выбирается в соответствии с выражением (2) для обеспечения нормализации выделяемой части спектра, нормализованный случайный процесс со средней частотой спектра f_опф с выхода полосового фильтра 2 поступает на ПУ4, в котором сравнивается с установленным пороговым уровнем, в случае превышения которого на выходе появляются импульсы, число которых за установленное время подсчитывается счетчиком 4, с выходов счетчика 4 код, соответствующий средней частоте превышения порога, подается на входы устройства преобразования кодов, преобразующего его в соответствии с выражением (1), код с выхода УПК 5 поступает на входы накапливающего сумматора 6, в котором последовательно суммируются коды, соответствующие дисперсиям P_вхi выделенной полосовым фильтром 2 части спектра измеряемого случайного процесса, при этом процесс накопления (суммирования) осуществляется в моменты времени, когда завершается время анализа СТ4 и заканчивается при полном последовательном перекрытии спектра случайного процесса, после завершения накопления код с выходов накапливающего сумматора 6 выдается на входы ЦУО 7, в котором результат измерения отображается в удобном для пользователя виде. Работой устройства управляет БУ 9. Сигналы синхронизации вырабатываются схемой синхронизации 10. Структурные схемы возможных реализаций БУ9 и СС10 приведены на фиг.3 и 4 соответственно. БУ9 вырабатывает сигналы для управления частотой гетеродина, полосой пропускания ПФ2, порогом ПУ3, временем анализа Т_а счетчика 4 и значением U_n в УПК5. Работает БУ9 следующим образом. Через устройство ввода 11, выполненное в виде тастатуры, в регистры записи значения нижней частоты спектра 9.1, записи верхнего значения частоты спектра 9.2, записи уровня порога U_n 9.3, записи значения ширины полосы фильтра ΔF_ф 9.4 и записи значения времени анализа Т_а 9.5 по сигналам разрешения записи записываются соответствующие значения, тактовый сигнал с периодом τ_о поступает на регистры 9.1-9.6 со схемы синхронизации 10, с выходов регистра 9.4 сигналы кода ΔF_пф поступают на первые входы умножителя 9.8, на вторые входы которого приходит код номера частоты гетеродина i+1/2 с выходов сумматора 9.7, на который код i поступает со счетчика циклов анализа 10.3 схемы синхронизации, на вторые входы сумматора 9.7 поступает код, соответствующий значению 1/2, выходной код перемножителя, соответствующий ΔF_пф (i+1/2) поступает на сумматор 9.10, на вторые входы которого приходит код f_н с выходов регистра 9.1, на выходе сумматора 9.10 действует код, соответствующий значению частоты f_н+(i+1/2)ΔF, который записывается в регистр 9.6 управления частотой гетеродина, выходы которого подключены ко входам управления частотой гетеродина 8; выходы сумматора 9.10 подключены также к первым входам вычитателя 9.9, на вторые входы вычитателя 9.9 поступает код с выхода регистра 9.2, соответствующий f_в, разряд отрицательного переноса вычитателя используется в качестве сигнала завершения измерения, так как появление единицы на разряде отрицательного переноса соответствует ситуации
f_в-(f_н+(i+1/2)ΔF)<0 ,
то есть проведен анализ (измерение) всех участков и необходимо зафиксировать значение в накапливающем сумматоре 6, что производится по сигналу завершения измерения с выхода вычитателя 9.9, данный сигнал поступает также в схему синхронизации 10; на входы управления частотой гетеродина f_гi поступает код с регистра 9.6, на входы управления шириной полосы фильтра 2 поступает код с регистра 9.4, на входы управления порогом U_n порогового устройства 3 поступает код с регистра 9.3, на входы установки времени анализа Т_а счетчика 4 поступает код с регистра 9.5, таким образом БУ9 обеспечивает управление параметрами устройства измерения дисперсии с использованием введенных значений f_н, f_в, ΔF Т_а.

Схема синхронизации работает следующим образом. На схему синхронизации 10 с регистра 9.5, БУ9 поступает Т_а, по которому устанавливается интервал счета счетчика 10.2, выходной сигнал которого является последовательностью импульсов с периодом Т_а, на счетный вход счетчика 10.2 поступают тактовые импульсы с периодом τ_о с выхода генератора тактовых импульсов 10.1, тактовые импульсы с его выхода поступают также на регистры 9.1-9.6 БУ9, на УПК5, накапливающий сумматор 6, ЦУО7; при этом выходной сигнал СТ 10.2 задерживается на К τ_о в триггере 10.4, задержанный сигнал с выхода триггера 10.4 используется для сброса значения счетчика СТ 4, а сигнал с выхода СТ 10.2 для разрешения записи кода на выходах СТ 4, после преобразования в УПК5 в накапливающий сумматор 6, выход СТ 10.2 используется как входной сигнал для счетчика 10.3 числа циклов накопления i, код с выходов СТ 10.3 поступает на БУ9 (сумматор 9.7), на СТ 10.3 с выхода вычитателя 9.9 БУ9 поступает при выполнении неравенства
f_в< f_н+ (i+1/2)ΔF_пф
сигнал завершения измерения, который останавливает счетчик 10.3; этот же сигнал завершения поступает на ЦУО7 и разрешает индикацию результата, находящегося в накапливающем сумматоре 6, при этом код результата соответствует дисперсии измеряемого случайного процесса. Очередное измерение можно производить после сброса значений в НС 6, СТ.4, СТ 10.3.

Все блоки устройства, реализующего предлагаемый способ, выполняются на базе стандартных элементов цифровой и аналоговой техники, УПК 5 может быть реализовано на основе ПЛМ или ПЗУ.

Технико-экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в расширении динамического диапазона измеряемых случайных процессов благодаря устранению вспомогательных генераторов случайных процессов, из-за которых максимально возможный динамический диапазон определялся амплитудным значением вспомогательного случайного процесса. А также в возможности измерения дисперсии случайных процессов с дробно-рациональной спектральной плотностью практически в любом диапазоне частот без изменения структуры устройства; и в возможности производить оценку спектрального состава дисперсии.

Погрешность определения дисперсии при использовании данного способа можно оценить следующим выражением:

где первый член суммы в фигурных скобках определяет погрешность за счет неточного определения f₀ и а второй член δ f_iδD_i определяет погрешность из-за неидеальности полосового фильтра и рассчитывается для каждого типа фильтров.

Существо изобретения:с целью расширения динамического и частотного диапазонов измеряемого сигнала, а также определения спектрального состава мощности выполняют разделение исходного спектра сигнала на непересекающие части с одновременной нормализацией и определяют значения мощностей выделенных частей спектра по средней частоте превышения известного порогового уровня. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения дисперсии случайного процесса при определении параметров широкополосных каналов связи, при котором сравнивают случайный процесс с данным формируемым сигналом и усредняют результаты сравнения во времени, отличающийся тем, что производят нормализацию случайного процесса с одновременным выделением частей спектра, выбираемых такими, чтобы обеспечить покрытие всего спектра без пересечения, измеряют частоту превышения над заданным сигналом в каждой части спектра, рассчитывают по ней дисперсию в выделенных частях спектра, суммируют дисперсии выделенных частей спектра и результат суммирования принимают за дисперсию случайного процесса. 2. Устройство для определения дисперсии случайного процесса при определении параметров широкополосных каналов связи, содержащее смеситель, счетчик, блок отображения и гетеродин, отличающееся тем, что в него дополнительно введены управляемый полосовой фильтр, пороговой блок, блок преобразования кода, накапливающий сумматор, блок синхронизации, блок управления, блок ввода, при этом смеситель, управляемый полосовой фильтр, пороговый блок, счетчик, блок преобразования кода, накапливающий сумматор и блок отображения соединены последовательно, второй вход смесителя соединен с выходом гетеродина, вход управления которого соединен с выходом блока управления, входы управления полосового фильтра, порогового блока, счетчика, блока отображения, блока синхронизации соединены с соответствующими выходами блока управления, выход блока ввода с входами ввода блока управления, выходы блока синхронизации с входами синхронизации счетчика, накапливающего сумматора, блока преобразования кода, блока отображения и блока управления.